钛合金人工关节曲面局部覆盖约束式磨粒流湍流精密加工新方法

The smoothness of artificial joint curved surface has a critical influence on its function and working life. Aiming at the processing problems for the curved surface of titanium alloy artificial joints, a partial coverage constraint style abrasive flow turbulence precision machining method is proposed for titanium alloy artificial joint. The partial covering surface constraint component is established by profiling of the artificial joint surface, and the controlled flow channel of abrasive flow is built. The processing surface is a part of the flow channel wall, making abrasive flow into the turbulent fully developed state. The micro-cutting of the processing surface is realized by the disorderly movement of the abrasive to reach the mirror level surface roughness. Based on the theoretical basis of fluid dynamics and liquid - solid two-phase flow, the dynamic characteristics of abrasive flow field is simulated, and the turbulent flow field formation mechanism, conditions and control methods of partial coverage constraint micro-channel are researched. The material removal mechanism of titanium is exposited under the action of the abrasive stream in the turbulent form. The Particle Image Velocimetry (PIV) is used to observe the flow field morphology. The machined surface quality is tested by nanoindentation, scanning electron microscopy and etc. The process parameters optimization is fulfilled. The theories and techniques system are established for the artificial joint curved surface machining. It will provide technology and finishing equipment for the artificial joint precision machining with independent intellectual property rights. The project has good scientific value and practical application prospects.

人工关节曲面的光滑度对其功能和使用寿命有着至关重要的影响。针对钛合金人工关节曲面的加工难题，提出了一种局部覆盖约束式磨粒流湍流精密加工新方法。通过人工关节曲面的仿形建立局部覆盖曲面约束构件，构建磨粒流受控流道，被加工曲面成为流道壁面的一部分，使磨粒流进入湍流充分发展状态，通过磨粒的无序运动实现表面的微切削，达到镜面级表面粗糙度及高表面质量要求。项目以流体力学和液-固两相流为理论基础，数值模拟磨粒流流场的动态特性，研究局部覆盖曲面约束式微通道的湍流流场形成机制、条件和调控方法，揭示钛合金在湍流形态下的磨粒流作用下的材料去除机理。采用粒子图像测速（PIV）技术观测流场形态，综合纳米压痕、扫描电镜等方法测试分析已加工表面质量，进行工艺参数优化，建立人工关节曲面加工的理论与技术体系，为人工关节的精密加工提供拥有自主知识产权的装备及技术，具有较好的科学研究价值和实际应用前景。

针对钛合金人工关节曲面的光整加工难题，提出了一种局部覆盖约束式磨粒流湍流精密加工新方法，通过仿型约束模块与人工关节曲面组合构成局部覆盖的约束流道，利用软性磨粒流在约束流道中的湍流流动实现磨粒对工件表面的微切削作用，同时利用磨粒在湍流流场中的随机运动实现镜面级表面粗糙度和高表面质量要求。主要成果有：建立了湍流流场磨粒运动模型，提出了磨粒碰撞壁面速度与角度的计算型，得到了磨粒的运动轨迹和运动参数，基本掌握了软性磨粒流湍流流场的形成机制和规律；建立了磨粒流湍流流型分析模型和加工过程动力学模型，基本掌握了具有典型加工特性的流型基本特征和湍流在近壁区微切削效应，提出了扰流流道、气体补偿、表面纹理等多种流型控制方法；建立了覆盖约束式磨粒流加工实验系统，给出了加工工艺参数和工艺路线，研究了各类工艺参数对表面粗糙度的影响，建立了表面粗糙度预测模型。对加工表面质量进行了分析，并对工艺参数进行了优化，以金属植入物与骨组织的结合问题为出发点，研究了磨粒流加工钛合金表面对成骨细胞黏附效果的影响，结合细胞黏附实验结果和表面粗糙度预测模型对磨粒流加工工艺参数进行调控，得到了符合要求的钛合金人工关节表面，建立了人工关节曲面加工的理论与技术体系。现有光整加工技术大部分难以应用于复杂曲面工件表面的加工，本项目方法为钛合金人工关节这类具有复杂曲面的表面光整加工提供了一种可行的解决方案，研究工作形成了湍流形成、流型控制，壁面效应和表面微切削机理等方面的理论成果，了解和掌握了相关科学规律，积累了试验数据，得到了一些具有工程指导意义的理论模型。

内容获取失败，请点击重试